JP6846274B2

JP6846274B2 - 鍛造品の成形加工方法

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Publication number: JP6846274B2
Application number: JP2017084366A
Authority: JP
Inventors: 山本　一; 一山本; 一輝中島; 武志吉田; 良志賀; 康之古川
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: JP2018176263A

Description

本発明は、例えば歯車等のごとき鍛造品の成形加工方法及び鍛造品に係り、さらに詳細には、プレス機械におけるラムの上下動作を、サーボ機構によって制御自在なサーボプレスによる冷間鍛造成形によって鍛造品の成形加工を行う鍛造品の成形加工方法に関する。

従来、例えば歯車は、ホブ盤を使用した切削加工によって製造されている。しかし、ホブ盤を使用した歯車の製造においては、シェービング加工や研削加工等の仕上げ加工が必要である。したがって、高価な設備が必要である。また、生産効率や製造コストの面などにおいて、さらなる改善が望まれていた。そこで、最近の鍛造技術の向上により、冷間鍛造によって歯車を成形することが行われている。

しかし、冷間鍛造によって歯車を成形加工する場合、素材を強力に加圧変形して、ダイスの内周面に形成した転写面の歯形を素材に転写するには、高加圧の加工ができるプレス機械が必要である。また、金型の単位面積当たりの荷重が大きくなり、金型寿命が低下するという問題がある。

ところで、本件発明に関係すると思われる先行例として特許文献１がある。

特開２０００−１４０９８８号公報

前記特許文献１に記載の構成は、ワークに転写すべき歯形を内周面に形成した転写型内に下側から挿入自在な載置台上に、予めカップ状に形成したワークを載置する。そして、上下動自在な軸力パンチによってワークの上部を押圧する。また、前記軸力パンチに備えた円柱状のホルダ本体によってワークの底部を前記載置台に押圧する。

その後、ワークの内周面と軸力パンチ下面とホルダ本体の周面との間に形成されたリング状の圧縮室にオイル等の液体を充填する。そして、軸力パンチによって載置台上のワークの端面を押圧すると共に圧縮室内のオイルを圧縮加圧して、ワークの増肉を行うと共に、ワークを転写型の歯形へ押し付けて、ワークの外周面に歯形を転写する構成である。

すなわち、前記特許文献１に記載の構成は、ワークとしては素材板を対象としている。そして、筒状部を有するワークの肉厚を、座屈することなく増肉すると共に、ワーク外周面に歯形を転写してギアを形成するものである。したがって、特許文献１に記載の構成は、例えば円柱形状又は中央部に中空穴を形成した厚肉の素材を鍛造して歯車を製造しようとするものではなく、種々の歯車を冷間鍛造しようとする場合、汎用性に欠けるものである。

ところで、前述したように、冷間鍛造によって歯車の鍛造を行うとする場合、例えばネットシェイプ鍛造が知られている。この場合、高加圧力の加工ができるプレス機械が必要である。そこで、本発明は、サーボプレスによって、従来のような高加圧を要することなく、歯車の鍛造を行うことができる歯車の成形加工方法を提供することを課題とするものである。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、鍛造品の成形加工方法であって、
（ａ）内周面に転写面を形成したダイス内に、中央部に中空穴を備えた素材を配置する工程、
（ｂ）プレス機械によって前記ダイス内にパンチを挿入して、前記素材を加圧し押圧変形する工程、
（ｃ）前記素材に対する加圧力を除荷する工程、
（ｄ）素材に対する加圧と除荷とを繰り返して、素材を逐次成形し、前記ダイスの歯形を素材に転写する工程、
の各工程を備えている。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、前記中空穴内に液体を注入する工程を備えている。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、前記中空穴に対する液体の注入は、中空穴内に液体を満たす工程、を備えている。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、素材に対する加圧と除荷とを繰り返すとき、前記中空穴内の液体を外部に漏出する工程、を備えている。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、素材に対する加圧力を除荷した場合であっても、前記中空穴内の液体の圧力は零又は正圧を保持している。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、前記ダイス内に、プレス機械によって前記パンチを挿入して前記素材にパンチが最初に当接して変形を付与する際のストローク長は、素材に対して加圧と除荷とを繰り返す逐次成形工程時に、素材にパンチが当接して変形を付与する際のストローク長よりも長いものである。

また、鍛造品の成形加工方法であって、
（ａ）内周面に転写面を形成したダイス内に、中央部に中空穴を備えた素材を配置する工程、
（ｂ）前記中空穴内に液体を注入する工程、
（ｃ）前記ダイス内にプレス機械によってパンチを挿入して、前記素材を加圧し素材の初期変形を行う工程、
（ｄ）素材に対する加圧と、除荷とを繰り返して逐次成形を行って、前記ダイスの転写面を素材に転写する工程、
とを備え、前記逐次成形時における素材の全変形量よりも、前記初期変形時の素材の変形量の方が大きいものである。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、前記素材に備えた中空穴の直径は次第に小径になるものである。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、使用するプレス機械は、プレス機械に備えたスライドの上下動作を、サーボ機構によって制御自在なサーボプレスである。

また、前記鍛造品の成形加工方法において、前記鍛造品は歯車である。

本発明によれば、従来のような高加圧を要することなく、低加圧で鍛造品の冷間鍛造が可能なため、従来より小型のプレス機械で高品質な鍛造品の成形加工が可能となる。さらに、金型の単位面積当たりの荷重が小さくなり、金型寿命が延びる。

本発明を実施するためのパンチ、ダイス等の構成を概念的、概略的に示した構成説明図である。パンチ、ダイスによる素材の成形加工状態を示す加工状態説明図である。パンチ、ダイスによる素材の成形加工状態を示す加工状態説明図である。逐次成形加工（二次加工）において、パンチの上昇位置、下降位置が次第に変化することを示した説明図である。素材の成形加工時の最終工程を示す説明図である。鍛造品の１例としての歯車の成形加工方法の比較例の説明図である。歯車以外の鍛造品の形態を示す説明図である。

本発明は、プレス機械としてサーボプレスを使用しての冷間鍛造によって、例えば歯車等の鍛造品の成形加工を行うものである。サーボプレスは、プレス機械におけるスライダの上下動作を、サーボ機構によって制御自在なプレスであって、既によく知られているので、プレス機械の全体的構成についての説明は省略する。

さて、鍛造品の１例としての歯車の成形加工を行うには、先ず、図１に示すように、プレス（図示省略）のベッドに固定したダイセット（全体的構成の詳細は図示省略）におけるダイホルダ１にダイス３をセットする。このダイス３におけるダイス孔５の内周面には、鍛造される素材７の外周面に転写するための転写面の１例として歯形９が形成してある。そして、前記ダイス孔５の下側には、鍛造成形された後の歯車（図１には図示省略）を下側から上方向に突出するためのノックアウトパンチ１１が上下動自在に備えられている。

上記ノックアウトパンチ１１の外周面には、前記ダイス３に形成した歯形９に係合自在な歯形１３が形成してある。前記ノックアウトパンチ１１は、ダイセットに上下動自在に備えたノックアウトピン１５に支持されている。このノックアウトピン１５は、プレスに備えたダイクッション（図示省略）における上下動自在なクッションピンに支持されている。そして、前記ダイス３の上方位置には、前記素材７を加圧（押圧）する円柱形状のパンチ１７が上下動自在に備えられている。このパンチ１７の外周面には、前記ダイス３の歯形９に係合自在な歯形１７Ｔが形成してある。

上記パンチ１７は、ダイセットに上下動自在に備えたパンチホルダ１９に取付けてある。前記パンチホルダ１９は、プレスにおいて上下動自在なスライダ（図示省略）に適宜の取付具を介して一体的に取付けられるものである。すなわち、前記パンチ１７は、プレスにおけるスライダと一体的に上下動するものである。

上述のごとき構成において、図１に示すように、前記ダイス３のダイス孔５内に素材７をセットする。前記素材７は、円柱形状であって、中央部に円形状の貫通した中空穴２１を備えた構成である。なお、素材７の形状は、円柱形状に限ることなく、鍛造しようとする鍛造品、例えば歯車（例えばベベルギア等）に対応した形状とすることができる。

前述のように、ダイス３のダイス孔５内に、中空穴２１を備えた素材７をセットした後、前記中空穴２１内に潤滑油などの適宜の液体２３を注入する。前記中空穴２１に対する液体２３の注入量は適量であって、本実施形態においては中空穴２１に満たすことが望ましい。上述のように、素材７の中空穴２１内に液体２３を満たした後、プレスにおける偏心軸（図示省略）をサーボモータ（図示省略）によって回転して、スライダ及びパンチホルダ１９を一体的に下降する。そして、パンチホルダ１９に備えたパンチ１７によって素材７を打圧し、素材７を押し潰すように加圧する。この際、パンチ１７は、サーボプレスによるスライドモーションの１つとして知られているクランクモーションの動作によって下降されるのが好ましい。

したがって、パンチ１７が素材７の上面に最初に当接する際の衝撃力は大きなものであり、素材７に大きな変形を付与することになる。この際、パンチ１７の下面が素材７の上面に当接すると、前記ノックアウトパンチ１１の上面と素材７の下面とが密着する。また、パンチ１７の下面と素材７の上面とが密着する。すなわち、素材７の中空穴２１は、パンチ１７とノックアウトパンチ１１によって上下方向から密閉された状態になる。

上述のように、中空穴２１内に液体２３を密閉（密封）した状態において、パンチ１７をさらに下降し、素材７を加圧すると、素材７と中空穴２１内の液体２３は垂直方向（上下方向）に圧縮される。したがって、中空穴２１内の液体２３の圧力が上昇し、図２に矢印Ａで示すように、素材７を径方向（水平方向）に均等に押圧する。よって、素材７が上下方向から圧縮されたことと、中空穴２１内の液体２３の圧力上昇による押圧作用とが相俟って、素材７の外周面は、矢印Ｂ，Ｃで示すように、放射方向へ張り出される。すなわち、素材７の外周面は、ダイス３のダイス孔５に押圧され、素材７の外周面の一部は、歯形９の谷の部分に流動して入り込むことになる。この際、素材７の、図２においての上下方向の中央部が、両端部よりも大きく外方向に張り出されることになる。

前述のように、クランクモーションの動作によってパンチ１７が素材７の上面に当接した際の鍛造成形時の衝撃力は大きなものであり、パンチ１７が素材７の上面に当接してからの、一次加工における下降ストロークＳ１は衝撃力に対応して大きなものである。そして、素材７の放射方向への張り出し量は、前記下降ストロークＳ１と関係するものである。ところで、前記下降ストロークＳ１に起因する素材７の変形は、外方向へ膨張されるのみでなく、前記中空穴２１の径を縮径するようにも変形する傾向にある。

しかし、中空穴２１の上下は、パンチ１７とノックアウトパンチ１１とによって密閉された状態にある。したがって、中空穴２１内の液体２３の圧力は、中空穴２１の内周面を放射外方向へ均等に押圧することとなり、素材７の外方向への張り出しを効果的に行い得るものである。また、中空穴２１内に液体２３が満たしてあることにより、鍛造成形時における素材７の温度上昇が効果的に抑制されるものである。

前述したように、クランクモーションの動作によって下降ストロークＳ１の押圧加工（押圧変形加工：一次加工）を行った後、素材７に対する加圧力を緩和する。すなわち除荷して、素材７の上面からパンチ１７の下面が離れるように僅かにα（例えば数ｍｍ）上昇する（図４参照）。この際、中空穴２１内の液体２３は、図３に矢印Ｄで示すように、素材７の上面から、及びノックアウトパンチ１１の上面と素材７の下面から流出し、素材７の外周面とダイス３の内周面との間の潤滑を行うことになる。また、液体は、ダイス３及び素材７を冷却することになる。

その後、パンチ１７を再度下降して、素材７を再度加圧する。この際、パンチ１７が素材７の上面に当接した高さ位置から僅かに（例えば０．１ｍｍ）下降して素材７を加圧し、微小の塑性変形を加える。すなわち、パンチ１７の上昇位置からの下降ストロークは（α＋０．１）となる（図４参照）。そして、前回の下降位置から僅かに（例えば０．１ｍｍ）下降することを繰り返す複数回の加圧、除荷を行うことにより、素材７の鍛造が行われる。

すなわち、素材７に対する加圧と除荷とを繰り返して、微小の塑性変形を加えることを繰り返す逐次成形加工（二次加工）を、下降ストロークＳ２（図５参照）の範囲に亘って行う。この際の加圧時には、素材７に対する加圧力が間欠的に除荷される。したがって、中空穴２１内の液体２３は、素材７の上面から、及びノックアウトパンチ１１の上面と素材７の下面から間欠的に流出し、素材７の外周面とダイス３の内周面との間の潤滑を行うと共に、ダイス３の内周面と素材７の冷却を行うことになる。

上述のように、ダイス３の内周面と素材７とを間欠的に冷却しつつ素材７の鍛造を行うものである。したがって、ダイス３及び素材７の発熱を抑制しつつ鍛造を行うことになる。よって、冷却による精度向上を図ることができるものである。

そして、前述の逐次成形加工時には、素材７における外周面の張り出しが行われると共に、矢印Ｅで示すように、中空穴２１の縮径が同時的に行われるものである。素材７に対して微小変形を繰り返して継続的に付与すると、素材７には微小な部分的に歪みを生じ、部分的な加工硬化を生じることになる。したがって、前述のごとき逐次成形加工を行う際には、部分的に加工硬化を生じていない微小箇所が次々に塑性変形を生じることになる。すなわち歪み分散効果が得られることになる。

この際、矢印Ｆで示すように、素材７の両端面の外周縁を外方向へ押圧する力が作用し、素材７における両端面の外周縁を効果的に張り出すことになる。すなわち、素材７の両端面の外周縁には、素材７の金属における外側への流動による材料充満部を備えるものである。上記材料充満部は、素材金属の流動によるものである。したがって、素材７における両端面の外周縁の金属組織は金属の流れに起因する繊維状を呈するものである。そして、繊維状の組織は切断されていないので強度が高くなるものである。

ところで、前述のごとく逐次成形加工を行う際に除荷するとき、素材７の上面からパンチ１７の下面が僅かに離れるように、パンチ１７を上昇する旨説明した。しかし、除荷するに際しては、素材７に対するパンチ１７の加圧力（押圧力）を低減（軽減）すればよいものである。したがって、素材７の上面からパンチ１７の下面を必ずしも離隔する必要はないものである。すなわち、中空穴２３内の液体の圧力は零であっても、圧力が低下した正圧であってもよいものである。なお、中空穴１３内の液体の圧力を正圧に保持することにより、中空穴２３がより小径になることを抑制することができる。

ところで、比較のために、中実の素材を用いてクランクモーションによる打圧のみで歯車の成形加工を行った。この場合、図６に示すとおりであった（（Ａ）参照）。パンチ１７による素材の打圧（クランクモーションでの打圧）による成形加工を行ったが、数個の製品で高荷重によるダイス３の破損が見られた。

次に、前述した素材７に形成した中空穴２１と同形のストレート形状の中空穴を備えた素材を用いて、オイル等の液体を満たすことなく、クランクモーションによる打圧のみによって成形加工を行った。この場合、中空穴は塞がり、かつ外周方向への肉に張り出しは不充分であった（（Ｂ）参照）。

さらに、中空穴２１を備えた素材を用い、中空穴２１内に液体を満たし、クランクモーションの打圧のみによって歯車の成形加工を行った。この場合、小型プレスにおいて高荷重を加えているにも拘わらず、素材の上下両端面における周縁部には充分な張り出しは見られなかった（（Ｃ）参照）。

前述した本実施形態に係る成形加工を行った。この場合、素材の上下両端面における周縁部への張り出しが充分に見られた。また、歯車における歯筋、歯型ともに製品レベルの精度を達成するものであった（（Ｄ）参照）。

以上のごとき説明より理解されるように、本実施形態によれば、中空穴２１を備えた素材７を用い、前記中空穴２１内に液体を満たした。そして、サーボプレスにおけるクランクモーションを利用して初期の成形加工（一次加工）を行った。次に、素材を打圧して加圧することと、除荷することを繰り返す逐次成形加工（二次加工）を行うことにより、小型のサーボプレスによって歯車の成形加工を行うことができるものである。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態に限ることなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能なものである。すなわち、鍛造品としては、図７（Ａ）に示すように、中央部に中空穴２３を備えた回転体３１の外周面に、磁石３３によって検知される複数の張出部（突出部）３５を等間隔に備えた構成とすることも可能である。上記構成によれば、磁石３３によって回転体３１の回転速度や回転位置を検出することが可能になるものである。

また、図７（Ｂ）に示すように、回転体３１の外周面に複数の凹部３７を等間隔に備えた構成とする。そして、板バネ３９に備えた係合体４１を前記凹部３７に対して係合離脱自在に備える。上記構成によれば、回転体３１の凹部３７に係合体４１が係合することにより、回転体３１の位置決めが可能になるものである。

既に理解されるように、鍛造品としては、歯車に限ることなく、図７（Ａ），（Ｂ）に示したごとき構成の回転体とすることも可能なものである。また、例えばボルト等のごとき多角形の鍛造品でもよいものである。

ところで、中空穴２１に対する液体の注入は、空気が入らないように満たすことが望ましい。しかし、場合によって多少の空気が入ってもよいものである。

また、前記説明においては、一次加工の下降ストロークＳ１が二次加工の下降ストロークＳ２よりも大きい旨、説明した。しかし、素材７の外径と中空穴２１の内径との関係（素材７の肉厚の関係）において、一次加工の下降ストロークＳ１を二次加工の下降ストロークＳ２と等しく、又は小さくすることも可能である。なお、生産能率向上を図る場合には、一次加工の下降ストロークＳ１を、二次加工の下降ストロークＳ２よりも大きくすることが望ましいものである。

１ダイホルダ
３ダイス
５ダイス孔
７素材
９歯形（転写面）
１１ノックアウトパンチ
１３歯形
１５ノックアウトピン
１７パンチ
１９パンチホルダ
２１中空穴
２３液体

Claims

中央部に中空穴を備え、外周面に張出部及び／又は凹部を備えた鍛造品の成形加工方法であって、（ａ）内周面に転写面を形成したダイス内に、中央部に中空穴を備えた素材を配置する工程、（ｂ）プレス機械によって前記ダイス内にパンチを挿入して、前記素材を加圧し押圧変形する工程、（ｃ）前記素材に対する加圧力を除荷する工程、（ｄ）素材に対する加圧と除荷とを繰り返して、素材を逐次成形し、前記ダイスの転写面を素材に転写する工程、
の各工程を備えていることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項１に記載の鍛造品の成形加工方法において、前記中空穴内に液体を注入する工程を備えていることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項２に記載の鍛造品の成形加工方法において、前記中空穴に対する液体の注入は、中空穴内に液体を満たす工程、を備えていることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項１，２又は３に記載の鍛造品の成形加工方法において、素材に対する加圧と除荷とを繰り返すとき、前記中空穴内の液体を外部に漏出する工程、を備えていることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項２，３又は４のいずれかに記載の鍛造品の成形加工方法において、素材に対する加圧力を除荷した場合であっても、前記中空穴内の液体の圧力は零又は正圧を保持していることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の鍛造品の成形加工方法において、前記ダイス内に、プレス機械によって前記パンチを挿入して前記素材にパンチが最初に当接して変形を付与する際のストローク長は、素材に対して加圧と除荷とを繰り返す逐次成形工程時に、素材にパンチが当接して変形を付与する際のストローク長よりも長いことを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
鍛造品の成形加工方法であって、（ａ）内周面に転写面を形成したダイス内に、中央部に中空穴を備えた素材を配置する工程、（ｂ）前記中空穴内に液体を注入する工程、（ｃ）前記ダイス内にプレス機械によってパンチを挿入して、前記素材を加圧し素材の初期変形を行う工程、（ｄ）素材に対する加圧と、除荷とを繰り返して逐次成形を行って、前記ダイスの転写面を素材に転写する工程、
とを備え、前記逐次成形時における素材の全変形量よりも、前記初期変形時の素材の変形量の方が大きいことを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項１〜７のいずれかに記載の鍛造品の成形加工方法において、前記素材に備えた中空穴の直径は次第に小径になることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項１〜８のいずれかに記載の鍛造品の成形加工方法において、使用するプレス機械は、プレス機械に備えたスライドの上下動作を、サーボ機構によって制御自在なサーボプレスであることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。
請求項１〜９のいずれかに記載の鍛造品の成形加工方法において、前記鍛造品は歯車であることを特徴とする鍛造品の成形加工方法。